【论文推荐】| 基于SLA的海底管道贯入阻力影响因素分析

论文导读与观点概要

1. 研究目的

海底管道作为海上油气输送的“能源血管”，其安装后的初始沉陷深度是影响管道热膨胀、轴向应力及底部稳定性的关键设计参数。准确评估初始沉陷的前提是对管道垂直贯入过程有深入理解。

本研究旨在利用连续极限分析（SLA）方法，系统研究管土界面粗糙度、土体强度、土体重度、应变软化及应变率效应等关键参数对海底管道垂直贯入阻力的影响规律，并建立相应的阻力预报修正公式，以解决传统大变形有限元方法（如CEL、ALE）计算效率低、网格畸变等问题。

2. 研究方法

• 管土界面粗糙度系数（α ）：0 ~ 1.0
• 土体强度梯度系数（k ）：0 ~ 10 kPa/m
• 土体浮重度（γ′ ）：0 ~ 10 kN/m³
• 土体灵敏度（St ）、延性参数（ξ95 ）、黏度系数（μ ）及加载速率（ vp ）。

3. 研究结果

研究发现，管道垂直贯入阻力随贯入深度（ w ）呈非线性增加，各参数影响规律如下：

• 土体强度梯度（k ）的影响呈现阶段性特征：在浅层贯入阶段（w/D<0.1 ），阻力随 k 增加而增加；在深层贯入阶段（w/D>0.1 ），由于深层土体强度过高产生“约束效应”，抑制了塑性区扩展，导致阻力随k 增加反而呈下降趋势。

• 贯入阻力随土体浮重度（γ′ ）的增加而显著增加。当w/D=1时，γ′D/sum=10 时的阻力是γ′=0 时的2.84倍。
• 浮力系数（fb ）随土体重度的增加略有降低，这与高重度土体中等效排开体积降低有关。
  土体软化与流变特性：
• 土体灵敏度（St ）与贯入阻力呈负相关。灵敏度越高，应变软化效应越强，土体强度降低越明显，导致阻力下降。
• 土体延性参数（ξ95 ）与阻力呈正相关，但当ξ95>30 后，影响趋于平缓。
• 黏度系数（μ ）和加载速率（vp ）均与阻力呈正相关。较高的加载速率和黏度系数会引发应变率效应，导致土体强度增强，从而增大贯入阻力。

4. 结  论

通过SLA方法对海底管道垂直贯入阻力进行了研究，考虑了管土界面粗糙度、土体强度、土体重度等参数对管道贯入阻力的影响，分析了应变软化和应变率效应引起土体强度变化对管道贯入阻力的影响。主要结论如下：

1）管道垂直贯入阻力随贯入深度非线性增加。在贯入深度相同的情况下，管道垂直贯入阻力随管土界面粗糙度系数、土体重度、黏度系数和土体延性系数的增加而增加。但土体延性系数越大，其对管道贯入阻力的影响越有限。在贯入深度相同的情况下，管道垂直贯入阻力随土体灵敏度的增大而减小。

2）当管道垂直贯入深度w/D<0.1时，管道底部附近的土体不排水抗剪强度为管道垂直贯入阻力的主要影响因素，因此贯入初始阶段的管道垂直贯入阻力随土体强度梯度系数k的增加而增加；当w/D>0.1时，土体的破坏机制从“浅层破坏”转变为“深层破坏”，破坏区扩展到管道周围更大范围的土体，土体强度梯度的增加会导致管道上方土体的强度也显著增加，这部分高强度土体会对管道产生更强的“约束效应”，抑制了塑性区的扩展，从而导致贯入阻力因深层约束效应增长而趋缓。

3）管道垂直贯入过程中挤压管道底部土体，并在管道两侧形成土坡，造成土体强度变化。其中主要原因是应变软化和应变率效应。应变软化效应主要与土体灵敏度和土体延性参数有关，随着土体灵敏度增加和土体延性参数降低，应变软化效应造成土体强度降低程度也在增加，进而导致管道垂直贯入阻力的降低。应变率效应主要与土体黏度系数μ和管道加载速率vp有关，随着μ和vp的增加，应变率效应造成土体强度增强的程度也在增加，进而导致管道垂直贯入阻力的增加。

相关图表

本文引用格式：杜尊峰, 郭骁, 朱海明, 等. 基于SLA的海底管道贯入阻力影响因素分析[J]. 海洋工程, 2026, 44(3): 183-193.  (DU Zunfeng, GUO Xiao, ZHU Haiming, et al. Analysis of influencing factors of submarine pipeline penetration resistance based on SLA[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(3): 183-193.  (in Chinese)）

作者简介：杜尊峰   

杜尊峰，男，教授、博导，天津大学建筑工程学院副院长（主管研究生和学科建设），主要从事船海工程安全、绿色和智能化相关理论技术研究。现任中国海洋学会海洋工程分会常务理事，中国造船工程学会理事，全国海洋工程类课程思政联盟副理事长，全国高端海洋油气装备产教融合共同体副理事长，中国拆船协会、天津市交通运输委员会、天津市规划资源局专家委员会委员，《Encyclopedia of Ocean Engineering》领域主编，《中国海洋平台》编委会副主任委员，《船舶工程》《天津科技》等期刊编委，《China Ocean Engineering》《Earthquake Engineering and Resilience》《中国海上油气》等期刊青年编委，天津市津南区青联常委。主持国家级、省部级与企事业单位委托课题50余项，发表学术论文100余篇（其中SCI检索45篇、EI检索60余篇、ESI高被引论文4篇、热点论文1篇），授权发明专利47项，出版专著7部，主编团体标准1部、参编国军标1部，获省部级科技进步奖9项（其中一等奖3项、二等奖5项、三等奖1项），获教学成果奖6项（其中国家级二等奖2项，省部级特等奖1项、一等奖3项）。

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